【文献阅读】4-Data Augmentation for EEG-Based Emotion Recognition with Deep Convolutional Neural Net-2018

基于EEG的情绪识别对DCN进行数据增强

  • 摘要
    • 关键词
    • 背景
    • 创新点
    • 方法
      • 特征提取
      • 情绪分类
    • 实验
    • 结论与不足
      • 参考

摘要

本文针对脑电信号的情绪识别数据集数据较少的问题,提出了一种数据增强的方法在对浅层和深层,一共三个学习模型进行使用前后的对比测试,对情绪进行三类划分。

关键词

Emotion recognition, Data augmentation, EGG

背景

  情绪识别基于两个大类进行,一个是基于它自身的特征,如:脸部表情,声音的语调,身体姿势等;而另一种则是基于生物信号,如:EGG,ECG,脉搏跳动的频率,呼吸信号等。基于生物信号的情绪识别相对于基于特征的情绪识别,更能处理更加细节和复杂的信息,得到更加有效和可靠的结果。

目前,公共的情绪识别的EGG数据集有限,并且收集成本高,但深度学习模型需要大量的测试样本,在这种供不应求的情况下,引入了数据增强的方法。

创新点

提出了基于EGG的情绪识别方法
提出了添加高斯噪声的数据增强方法,来生成更多的EGG训练样本

方法

基于EGG的情绪识别方法,一般分为两步:特征提取和情绪分类。
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特征提取

1.1 获取微分熵特征(DE),时间序列X服从高斯分布
DE
1.2 假设EEG信号用n通道记录,并且EEG信号段的长度为ls
1.3 首先使用带通滤波器获每个信道的5个频段,delta (1– 3 Hz), theta (4– 7 Hz), alpha (8– 13 Hz), beta (14– 30 Hz), gamma (31– 50 Hz)
1.4 使用256点的短时傅里叶变换和1s的Hamming 窗口以此来获取每个频带的能谱;
1.5 通过计算对数能谱来获取每个频带的DE特征,每个特征样本大小为:n x l x 5.

情绪分类

使用三类机器学习模型作为分类器,SVM,LeNet,ResNet

  • SVM:使用LIBSM工具包,浅层网络,线性核+网格优化,使用5个频段

  • LeNet:使用MATCONVNE工具包,使用5个频段

  • ResNet:使用MATCONVNE工具包,使用3个频段

    数据增强的方法,分为两种:一种是geometric transformation,如:shift,scale, rotation,reflection;还有一种是noise addition。但是geometric transformation 不适合具有随机性和非稳定性的EGG信号,而且获取的特征依旧是一个时间序列。所以选用noise addition,而noise:Gaussian,Poisson,Salt,Pepper等,除了Gaussian是全局的,后是三种噪声是局部噪声。所以选用高斯噪声加入到特征样本中去。
    

高斯随机变量Z的概率密度函数
高斯的均值设为0,标准差设为0.001,0.01,0.02,0.1,0.5;m参数表示增强的倍数,m=1表示未加入数据增强。
密度函数
情绪分类类型:negativeneutralpositive

实验

  1. 在两个数据集上面 SEED 和 MAHNOB-HCI 进行测试
  2. 在SEED上,SVM-PCA+SVM-LeNet-ResNet-without data augmentation 和 SVM-PCA+SVM-LeNet-ResNet-withdata augmentation进行对比实验
  3. 在MAHNOB-HCI上,进行with data augmentation,均值设为0,数据增强度为30,SVM和ResNet标准差分别设置为0.2和0.01。
  4. 评价指标为Accuracy

得到的结论:降维对SVM的精度影响为下降,同时在不用数据增强时,SVM比深度学习网络模型识别效果要好,说明SVM对样本的数量不是很敏感。
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在LeNet加入数据增强后,平均识别精度在高斯随机变量的标准差为0.2时,数据增强度为30时最高。
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High frequency : alpha, beta, and gamma
Low frequency:elta, theta, and alpha
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结论与不足

浅层网络在数据增强前后表现不是很明显,但是数据增强对深层网络能够有效的提高识别精度。未来,还想对更多的深度模型,选用其他的数据增强方法来进行验证本文方法的普遍性和有效性。
我的思考:
对于情绪分类的类型是否太少?
对于模型的交叉验证是否太少?

参考

参考文献
[1]: 原文

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